Effect of nitrogen fertilization on the abundance of nitrogen cycling genes in agricultural soils: A meta-analysis of field studies

Resumo

A quantificação de genes funcionais envolvidos na transformação do nitrogênio (N) melhora nossa compreensão das respostas das populações microbianas do ciclo do N a perturbações ambientais. A fertilização nitrogenada agrícola afeta as abundâncias de genes do ciclo do N no solo, mas os padrões gerais e a variabilidade das abundâncias dos genes do ciclo do N em resposta à fertilização com N ainda precisam ser sintetizados. Conduzimos uma meta-análise abrangendo 47 estudos de campo em ecossistemas agrícolas. Incluímos cinco genes marcadores importantes para o ciclo do N: nifH (codifica a nitrogenase; enzima-chave para a fixação de N), amoA (codifica a amônia mono-oxigenase; enzima-chave para a nitrificação), nirK e nirS (codificam a nitrito redutase; enzima-chave para a desnitrificação) e nosZ (codifica a óxido nitroso redutase; enzima-chave para a desnitrificação). Descobrimos que a fertilização com N não teve efeito na abundância de nifH, mas aumentou significativamente a amoA arqueal (31%), amoA bacteriana (313%), nirK (53%), nirS (40%) e nosZ (75%), respectivamente. A forma do fertilizante nitrogenado (inorgânico versus orgânico) afetou fortemente a resposta da maioria dos genes do ciclo do N selecionados à fertilização nitrogenada; fertilizantes orgânicos frequentemente tiveram um efeito muito mais forte do que fertilizantes inorgânicos. A duração da fertilização com N, a rotação de culturas e o pH do solo também foram fatores importantes na regulação da resposta da maioria dos genes do ciclo do N à fertilização com N. Os genes envolvidos na nitrificação e desnitrificação foram significativamente correlacionados entre si. O aprimoramento na compreensão da resposta da abundância de genes do ciclo do N ao aumento da entrada de N ajudará a desenvolver modelos quantitativos da disponibilidade e dos fluxos de N e a melhorar as estratégias para reduzir as emissões de gases de efeito estufa reativos de N e o manejo do N em ecossistemas agrícolas.

Abstract

Quantification of functional genes involved in nitrogen (N) transformation improves our understanding of N-cycling microbial population responses to environmental disturbance. Agricultural N fertilization affects N-cycling gene abundances in soil, but the general patterns and variability of N cycling gene abundances in response to N fertilization have yet to be synthesized. We conducted a meta-analysis comprising 47 field studies in agricultural ecosystems. We included five marker genes important to N-cycling: nifH (encoding nitrogenase; key enzyme for N fixation), amoA (encoding ammonia monooxygenase; key enzyme for nitrification), nirK and nirS (encoding nitrite reductase; key enzyme for denitrification), and nosZ (encoding nitrous oxide reductase; key enzyme for denitrification). We found that N fertilization had no effect on the abundance of nifH, but significantly increased archaeal amoA (31%), bacterial amoA (313%), nirK (53%), nirS (40%) and nosZ (75%), respectively. N fertilizer form (inorganic versus organic) strongly affected the response of most selected N-cycling genes to N fertilization; organic fertilizers often had a much stronger effect than inorganic fertilizers. N fertilization duration, crop rotation, and soil pH were also important factors regulating the response of most N-cycling genes to N fertilization. Genes involved in nitrification and denitrification were significantly correlated with each other. Improvement in understanding of the response of N-cycling gene abundance to enhanced N input will help develop quantitative models of N availability and N fluxes and improve strategies for reducing reactive N gas emissions and N management in agricultural ecosystems.